В добыче полезных ископаемых в последнее десятилетие сформировалось научно-техническое понятие «умный рудник». Пока нет ни единого термина для обозначенного явления, ни четкого понимания, что за ним стоит.
Фото: Victor Ruiz Caballero/File Photo/File Photo, Reuters
Фото: Victor Ruiz Caballero/File Photo/File Photo, Reuters
Разные компании разрабатывают и внедряют сходные решения под названиями «умное», «интеллектуальное» или «цифровое». Используются и англоязычные варианты — Smart Mine и iField. Суть в том, чтобы передать существенную часть полномочий в управлении производством и принятии управленческих решений от человека комплексной автоматизированной системе. Это необходимо, чтобы максимально полно разрабатывать рудные тела и оптимально использовать технологические скважины, сокращать эксплуатационные расходы, ускорять добычу, облегчать ремонт и ликвидацию нештатных событий, снижать вероятность травматизма рабочих и несчастных случаев.
На месторождении важно обеспечить контролируемость и прозрачность всех процессов. Интеллектуальные технологии позволяют решить эту задачу, собирая в режиме реального времени огромное количество данных от систем телеметрии и предоставляя инструменты его обработки и анализа. Это позволяет принимать оперативные и точные управленческие решения, обеспечивать эффективное планирование геолого-технических мероприятий и ремонтно-профилактического обслуживания оборудования. Немаловажно, что управление большим количеством скважин может быть организовано централизованно и дистанционно.
Исполнительный директор уранового холдинга АО «Атомредметзолото» (Москва) Виктор Святецкий пояснил для «Ъ-Науки», что суть концепции умного рудника состоит в максимальной автоматизации и оптимизации всех технологических процессов, начиная от геологоразведочных работ и заканчивая финальными стадиями гидрометаллургии урана вплоть до получения товарной окиси-закиси урана.
Умный рудник десять лет разрабатывали специалисты горнорудного дивизиона «Росатома» и ученые Северского технологического института НИЯУ МИФИ. Сегодня это один из блоков большого проекта в единой цифровой стратегии «Росатома». Пока изобретение испытано на одной разновидности уранового рудника — полигоне скважинного подземного выщелачивания (СПВ).
Суть технического решения объяснил научный руководитель проекта профессор Михаил Носков: «Умный полигон СПВ включает четыре уровня управления процессом СПВ, которые связаны между собой информационными каналами. На первом уровне находятся датчики, исполнительные механизмы, регулирующие устройства, осуществляющие ввод и вывод информации, которые относятся к контролируемым и управляемым объектам (технологическим скважинам, трубопроводам и др.). Второй уровень включает программируемые контроллеры и регуляторы, осуществляющие управление технологическими объектами на основе информации, получаемой с первого и третьего уровней. На третьем уровне диспетчерско-операторского управления находится управляющий компьютер, на который установлена система управления и сбора данных. Система с помощью человеко-машинных интерфейсов в режиме реального времени позволяет следить за работой технологических объектов, получать и накапливать необходимую информацию, корректировать режимы работы оборудования с целью достижения оптимальных параметров ведения геотехнологического процесса. Значения оптимальных параметров определяются с помощью систем четвертого уровня управления технологическим процессом: постоянно действующей геотехнологической модели добычного полигона, системы контроля и анализа работы добычного полигона, системы оптимизации геотехнологического процесса добычи урана, информационно-моделирующей экономической системы. Информация для работы систем четвертого уровня управления берется из технологической базы данных, куда она поступает из системы управления и сбора данных».
На первом (полевом) уровне управления каждый технологический объект оснащен комплексом технических средств измерения и управления. На рядных трубопроводах установлены расходомеры и датчики давления. Нагнетательные скважины оснащены расходомерами и регулирующими клапанами с электроприводом. Откачные скважины оборудованы расходомерами, датчиками уровня и станциями управления погружными насосами, позволяющими регулировать частоту вращения электродвигателей центробежных насосов и осуществлять необходимые защиты от перегрузок, низкого напряжения и др.
Второй уровень управления выполнен на основе российской линейки программируемых логических контроллеров производства компании «Овен». Контроллеры, расположенные в щитах управления, осуществляют ввод-вывод сигналов с датчиков, автоматическое управление электроприводами регулирующих механизмов. Реализация на втором уровне управления автоматических систем регулирования дебита скважин позволяет существенно облегчить поддержание оптимальных режимов работы эксплуатационного блока.
Система управления и сбора данных разработана на базе российской SCADA системы Trace Mode 6. В систему поступают сигналы с расходомеров, датчиков давления, автоматизированных задвижек, шкафов управления погружными насосами, установленных на скважинах и трубопроводах, которые сохраняются в оперативной базе данных. С помощью системы управления и сбора данных осуществляется дистанционное управление задвижками нагнетательных скважин и погружными насосами откачных скважин. Вся информация представлена на мнемосхемах эксплуатационного блока и основных технологических объектов.
Система осуществляет передачу управляющих сигналов на соответствующее технологическое оборудование, расположенное на полигоне, посредством клавиатуры или интерактивных визуальных инструментов. Также система обеспечивает информирование специалистов о ненормальных режимах работы оборудования. Любая аварийная ситуация визуализируется на главной мнемосхеме в виде мигания соответствующего технологического объекта, а на экране этого объекта детализируется в окне тревожных сообщений.
Системы четвертого уровня созданы в среде программирования Embarcadero RAD X3, программный код написан на языке программирования C++ с использованием объектно ориентированного подхода.
Постоянно действующая геотехнологическая модель добычного полигона проводит расчеты текущего состояния продуктивного горизонта полигона на основе геологических и технологических данных. Модель описывает основные гидродинамические и физико-химические процессы, протекающие в продуктивном горизонте при сернокислотном СПВ урана. Учитываются неоднородности распределения фильтрационных параметров продуктивного горизонта, кинетика взаимодействия выщелачивающего раствора с различными минералами, реальные режимы эксплуатации и переменный состав растворов, закачиваемых в продуктивный горизонт. Режимы работы скважин импортируются из базы технологических данных. Постоянно действующая геотехнологическая модель позволяет получать актуальную информацию о текущем распределении основных физико-химических величин, характеризующих состояние продуктивного горизонта: распределение урана в растворе на породе, скорости фильтрации, концентрации кислоты, сульфат-иона и др. Также модель делает прогнозы основных геотехнологических параметров отработки блоков: масса извлеченного урана, оставшиеся запасы урана, степень отработки блоков, расхода кислоты, концентрации урана и кислоты в продуктивных растворах и др.
Система оперативного контроля и анализа работы добычного полигона обеспечивает предоставление пользователю всей имеющейся в хранилище данных информации, необходимой для выработки управленческих решений. Доступ к информации обеспечивается с помощью интерактивного плана выбранного участка добычного комплекса. На плане отображаются технологические объекты и их состояние на указанный пользователем момент времени. Интерактивные инструменты позволяют пользователю получать информацию по объектам в виде таблиц и графиков. Пространственно-временные данные о динамике состояния продуктивного горизонта представляются в виде временных зависимостей и отображаемых на плане распределений физических величин, характеризующих исходное или текущее состояние добычного полигона. С помощью системы можно проводить автоматический поиск данных, статистический анализ, а также строить корреляционные зависимости.
Система оптимизации геотехнологического процесса добычи урана предназначена для подготовки предложений по изменению режимов работы технологических скважин; она ведет расчеты движения технологических растворов в продуктивном горизонте. На основе гидрогеологических расчетов определяются потоки технологических растворов между различными откачными и закачными скважинами. Система автоматически определяет потоки, приводящие к неэффективному расходу кислоты и потерям урана, проводит оптимизацию гидродинамических потоков и готовит предложения по изменению режимов работы технологических скважин.
Информационно-моделирующая экономическая система предназначена для оценки экономической эффективности предложений по оптимизации режимов работы скважин. Она позволяет оценивать себестоимость добычи урана в зависимости от геотехнологических и финансово-экономических параметров. Финансово-экономические параметры включают основные характеристики капитальных и эксплуатационных затрат на сооружение и отработку блока. К геотехнологическим параметрам относятся технологические характеристики объектов эксплуатационного блока и показатели (прогнозные или фактические) его работы.
Разработанная четырехуровневая иерархическая структура интегрального решения «Умный полигон СПВ» позволяет реализовать технологию оптимального управления процессом СПВ в реальном времени. Для обмена данными с системами оптимизации и оперативного контроля и анализа используется локальная внутренняя сеть полигона.
Опытную эксплуатацию умного полигона в Баунтовском эвенкийском районе Бурятии АО «Хиагда» (подразделение холдинга АО «Атомредметзолото») начало в декабре 2018 года. Значительно выросла производительность труда, повысилась эффективность добычи урана. Внедрение интегрального решения «Умный полигон СПВ» — важное достижение в инновационно-технологическом развитии добычного дивизиона «Росатома». Оно позволит снизить себестоимость добычи урана, по оценкам экспертов, на 10–20%.